исследование процесса термолиза древесных отходов.

Введение
1. Пиролиз древесины. Кинетика и процессы тепло - и массообмена при пиролизе древесины. Обзор литературы
2.Расчет модельных констант равновесия и выходов продуктов пиролиза
3. Расчет модели пиролиза.
4. Расчет технико-экономических показателей
5. Основы безопасности жизнедеятельности
Список использованной литературы

Кинетика пиролиза зависит от скорости нагрева и времени нахождения биомассы древесины в реакторе. Основные исследования кинетики пиролиза биомассы древесины были сконцентрированы на термораспаде чистой целлюлозы при низкой скорости нагрева ( менее 100 К/мин ) пи низкой температуре (600К) методами ТГА. При этих условиях пиролиз целлюлозы может быть описан реакцией первого порядка с высокой энергией активации – 193 кДж/моль по данным, полученными Вархегаем, Кашиваги[10]. В дальнейшем Милославичем [9] было установлено, что пиролиз целлюлозы может быть описан двухстадийным механизмом. Первая стадия проходит в низком температурном интервале (Т< 667 K) с высокой энергией активации (Еакт=218 кДж/моль), а вторая стадия проходит в высокотемпературной области с Еакт=140-155 кДж/моль. Милославович предположил, что исследованная кинетика сильно зависит от температуры, причем более высокая температура повышает выход смол.Общее уравнение процесса пиролиза можно представить в видеДревесина →( инертная атмосфера, Т>350°C) →уголь + летучие вещества.Медленный пиролиз используется , главным образом, для получения древесного угля, используемого в качестве топлива для приготовления пищи и обогрева жилья. Древесный уголь очень популярен в развитых странах, так как сгорает без выделения дыма и пламени. Древесный уголь также используется в металлургической промышленности в качестве высокоэффективного восстанавливающего агента для конверсии диоксида кремния в кремний. Производство древесного угля является длительным (≈4-12 час) и малоэффективным процессом, так как только одна треть первоначальной химической энергии древесины сохраняется в угле, и поэтому экономически ограничен частными применениями.С другой стороны, быстрый или флэш-пиролиз является более эффективным, так как в конечных продуктах сохраняется до 60% первоначальной химической энергии древесины. В этом процессе древесина превращается в пиролитические нефти. Флэш-пиролизу было уделено очень большое внимание в последние два десятилетия, так как предполагалось, что продукты , полученные этим способом смогут заменить природную нефть в некоторых сферах производства. В процессе быстрого пиролиза древесина подвергается очень быстрому нагреву (> 1000°С/с) при сравнительно низкой температуре (≈500°С) с установленным временем удаления летучих веществ менее 2 сек. К сожалению, оказалось, что получаемая пиролитическая нефть имеет низкое значение рН (<2.5) и различные значения вязкости и содержит частицы угольной пыли. Эти факторы обуславливают применение специальных методов и оборудования для «доводки» пиролитической нефти до требуемых условий применения. Стоимость этих методов значительно ограничивает коммерческое использование флэш-пиролиза.Другим методом термической конверсии древесины является газификация. В этом методе древесина перерабатывается в сжигаемую газовую смесь. В целом процесс газификации состоит из следующих стадий:- быстрый пиролиз частиц древесиныДревесина → уголь + летучие вещества- сжигание угля и летучих веществ:Уголь + летучие вещества + О2→СО2 +Н2О- взаимодействие воды и диоксида углерода с углем и летучими веществами с образованием монооксида углерода и водорода:Уголь + летучие вещества + СО2+Н2О→СО + Н2Состав смеси газов СО2, Н2О, СО и Н2 фиксируется обратимой реакцией конверсии водяного пара и монооксида водородаСО +Н2О↔СО2 + Н2Эта реакция близка к состоянию равновесия при температуре свыше 800°С.Это разделение можно считать довольно схематичным, так как процесс газификации сильно зависит от конструкции используемого газификатора. В качестве газифицирующего агента может быть использованы воздух или кислород, причем при использовании воздушной смеси получается газовая смесь с более низким энергетическим содержанием из-за присутствия азота.Воздушная газификация в основном используется для когенерации (производство электроэнергии и тепла) и конверсии древесины в газ с целью последующего совместного сжигания с порошкообразным углем. Кислородная газификация изучается с целью получения синтез-газа для химических целей (синтез метанола, процесс Фишера-Тропша)В качестве модельного объекта возьмем глюкозу С6Н12О6Уравнение полного пиролиза глюкозы:С6Н12О6(т)→ 6С(т) +6Н2О(г) - qВыражение константы равновесия:Найдем ∆S0=6S0(углерод) + 6S0(Н2Ог) -S0(глюкоза)=6*5,74 + 6*188,74 –(-910,56)=2077,44 Дж/моль*градНайдем ∆Ср=6*Ср(С) +6Ср(Н2Ог) –Ср(глюкоза)= 6*8,53 + 6*33,56 – 218,87=33,67 Дж/моль*градРасчет константы проведем для 3-х температур Т1=500 К, Т2=600 К, Т3=700 КА) Т=500 КlgKp=-1274.85*103/19.145*500 +2077.44/19,145 +218.87*0.00597=-133.178 +108.51 +1.31=-26.357B) T= 600 KlgKp =-110.98 +108.51 +2.24=-0.227C) T=700 KlgKp =-95.13 + 108.51 +3.19=16.57Из значений констант равновесия можно сделать вывод, что при Т=500 К выход продуктов реакции практически равен 0, при Т=600 К реакционная смесь находится в состоянии равновесия, при Т=700 К пиролиз проходит полностью.Проведем расчет выхода продуктов пиролиза и гидрогенизации угля при Т=600 К. Принимаем исходную массу глюкозы 100 кг, объем реактора V=1 м3.lgKp=-0.227Kp= p(H2О)6=0.59Следовательно, из 1 кмоль глюкозы получается (0,59)1/6=0,914 кмоль воды.Молярная масса глюкозы М(С6Н12О6)=180 кгНайдем количество полученной воды и углерода:m(H2О)=100*0.914*18/180=9,144кгm(C)= 100*0.914*12/180=6.09 кгРассчитаем выходы продуктов реакции конверсии:Будем учитывать следующие реакции:1. С +Н2О↔СО + Н2Кр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)lgKp= -6740.5/T +1.5561*lgT -1.092*10-4*T +2.554При Т=600 К , lgKp= -6740.5/600 +1.5561*lg600 -1.092*10-4*600 +2.554=-4,36Кр=4,37*10-52. С+ 2Н2О↔СО2 + 2Н2Kp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)lgKp= -4553.3/T +0.6446lgT + 2.336=-4533.3/600 + 0.6446*lg600 + 2.336=-3.434Kp=3.6*10-43. C+CO2↔2COKp=p2(CO2)/p(CO)lgKp=-8200/T + 1.75lgT -0.006*T +3.8=-8200/600 + 1.75*lg600 -0.006*600+3.8=-5.00Kp=10-54. CO +H2O↔H2 +CO2Kp=p(CO)*p(H2O)/p(H2)*p(CO2)lgKp=-2059/T + 1.5904lgT -1.5313=-0.55Kp=0.295. C + 2H2↔CH4Kp=p2(H2)/p(CH4)lgKp=-3140/T +5.58lgT-11.3=-1.03Kp=0.094А. Найдем количество СО и Н2 по первой реакцииС +Н2О↔СО + Н2Кр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)Обозначим количество полученного водорода и СО за х, тогда количество водяных паров при равновесии 0,914-хКр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)=х*х/0,914-х=4,37*10-5х2=0,914*4,37*10-5, х=6,3245*10- 3 кмольСледовательно, из 100 кг глюкозы образуется 6,3245*10-3*22,4=0,1418 м3 СО и Н2Н2О= (0,914-0,0063)*22,4=0,9077*22,4=20,32 м3Б) Рассчитаем количество СО2 и Н2, получаемое по второй реакции. С+ 2Н2О↔СО2 + 2Н2Kp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)Обозначим количество получаемого СО2 за х, водорода 2х, водяного пара 0,914-2хKp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)=х*4х2/(0,914-2х)2=3,6*10-44х3≈3,6*10-4*0,9142х=1,616 *10-2кмольСледовательно из 100 кг глюкозы получается 1,616*10-2*22,4=0,362 м3 СО2 и 0,724 м3 водородаВ) Рассчитаем количество СО, получаемого по реакции 3C+CO2↔2COKp=p2(CO2)/p(CO)Обозначим равновесную концентрацию СО - х, равновесная концентрация СО2- 1,616*10-2-х/2Кр=(1,616*10-2-х/2)2/х=10-52,61*10-4 - 1,616*10-2*х +х2/4=х*10-5х≈2*10-2 кмольСледовательно, образуется 2*10-2 кмоль СО и расходуется 6,116*10-3 кмоль СО2Г) Рассчитаем количество полученного метана по реакции 5C + 2H2↔CH4Kp=p2(H2)/p(CH4)Обозначим количество метана при равновесии –х, равновесная концентрация водорода –(1,616*10-2 +6,32*10-3 -2х)=(0,0225 -2х)Кр= (0,0225-2х)2/х=0,0940,02252 -4х*0,0225 +4х2=0,094хх= 5,1*10-4/0,184=2,77*10-3 кмоль или 0,062 м3 СН4Суммируя все реакции, получаем состав равновесного газаН2О=(0,914 -0,0063-0,0323 )*22,4 =19,60 м3 или 88,86%СО =( 6,32*10-3 +2*10-2 )*22,4=1,42 м3 или 6,44%СО2=(1,616*10-2 -6,161*10-3)*22,4=0,234 м3 или 1,06%Н2=(6,32*10-3 +3,23*10-2 -2,77*10-3*2)*22,4=0,741 м3 или 3,36%СН4=0,063 м3 или 0,28%Таким образом при пиролизе 100 кг глюкозы при Т=600 К получается 4,3 кг угля и равновесный газ состава : 88,86% Н2О, 6,44% СО, 1,06% СО2, 3,36% Н2, 0,28% СН4Расчет выхода продуктов при Т=700 КС6Н12О6(т)→ 6С (т) +6Н2О(г) - qТак как пиролиз проходит полностью, из 100 кг глюкозы получается 100*72/180=40 кг угля и 100*18*6/180=60 кг водяного пара или 60*22,4/18=74,67 м3, или 3,333 кмоль Н2О и С.А. Найдем количество СО и Н2 по первой реакции С +Н2О↔СО + Н2Кр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)lgKp= -6740.5/T +1.5561*lgT -1.092*10-4*T +2.554При Т=700 К , lgKp=-6740,5/700 +1,5561*lg700-1.092*10-4*700+2.554=-2.65Kp=2.24*10-3Обозначим количество полученного водорода и СО за х, тогда количество водяных паров при равновесии 3.333-хКр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)=х*х/3.333-х=2.24*10-3x2=7.46*10-3, x=8.63*10-2кмольСледовательно, из 100 кг глюкозы образуется 8,63*10-3*22,4=0,193 м3 СО и Н2Б) Рассчитаем количество СО2 и Н2, получаемое по второй реакции С+ 2Н2О↔СО2 + 2Н2Kp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)lgKp= -4553.3/T +0.6446lgT + 2.336=-4533.3/700 + 0.6446*lg700 + 2.336=-2,31Кр=4,8*10-3Обозначим количество получаемого СО2 за х, водорода 2х, водяного пара 3,333- 2хKp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)=х*4х2/(3,333-2х)2=4,8*10-34х3≈4,8*10-3*3,3332, х=2,37*10-1 кмольСледовательно из 100 кг глюкозы получается 2,37*10-1*22,4=5,24 м3 СО2 и 10,28 м3 водородаВ) Рассчитаем количество СО, получаемого по реакции 3C+CO2↔2COKp=p2(CO2)/p(CO)lgKp=-8200/T + 1.75lgT -0.006*T +3.8=-8200/700 + 1.75*lg700 -0.006*700+3.8=-7,12Кр=7,58*10-8Обозначим равновесную концентрацию СО - х, равновесная концентрация СО2– 2,37*10-1 - х/2Кр=(2,37*10-1-х/2)2/х=7,58*10-85,62*10-2 - 2,37*10-1*х +х2/4=7,58*10-8х≈3,8*10-1 кмольСледовательно, образуется 3,8*10-1 кмоль СО и расходуется 1,9*10-1 кмоль СО2Г) Рассчитаем количество полученного метана по реакции 5C + 2H2↔CH4Kp=p2(H2)/p(CH4)lgKp=-3140/T +5.58lgT-11.3= -3140/700 +5,581*lgT -11.03=0.37Kp=2,35Обозначим количество метана при равновесии –х, равновесная концентрация водорода –(8,63*10-2 +2,37*10-1 -2х)=(0,327 -2х)Kp=p2(H2)/p(CH4)= (0,327-2х)2/х=2,35х=3,2*10-2 кмоль или 0,72 м3Суммируя все реакции , получаем состав равновесного газаН2О=3,333-8,63*10-2 -2*2,37*10-1=2,777 кмоль или 62,2 м3, или 72,2%СО=3,8*10-1+ 8,63*10-2=0,466 кмоль или 10,445 м3, или 12,2%СО2=2,37*10-1 – 1,9*10-1=4,7*10-2 кмоль или 1,06 м3, или 1,24%Н2=8,63*10-2 +4,74*10-1- 6,4*10-2=4,96*10-1 кмоль или 11,1 м3, или 13,0%СН4=0,72 м3, или 0,84%Таким образом при пиролизе 100 кг глюкозы при Т=700 К получается 32,5 кг угля и равновесный газ состава : 72,2% Н2О, 12,2% СО, 1,24% СО2, 13,0% Н2, 0,84% СН4Расчет выхода продуктов при Т=1000 КС6Н12О6(т)→ 6С (т) +6Н2О(г) - qТак как пиролиз проходит полностью, из 100 кг глюкозы получается 100*72/180=40 кг угля и 100*18*6/180=60 кг водяного пара или 60*22,4/18=74,67 м3, или 3,333 кмоль Н2О и С.А. Найдем количество СО и Н2 по первой реакции С +Н2О↔СО + Н2Кр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)lgKp= -6740.5/T +1.5561*lgT -1.092*10-4*T +2.554ПриТ=1000К ,lgKp=-6740,5/1000 +1,5561*lg1000--1.092*10-4*1000+2.554=0,38Кр=2,4Обозначим количество полученного водорода и СО за х, тогда количество водяных паров при равновесии 3.333-хКр=р(СО)*р(Н2)/р(Н2О)=х*х/3.333-х=2,4х2 +2,4х -8=0, х=1,97 кмольСледовательно, из 100 кг глюкозы образуется 1,97*22,4=44,13 м3 СО и Н2Б) Рассчитаем количество СО2 и Н2, получаемое по второй реакции С+ 2Н2О↔СО2 + 2Н2Kp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)lgKp= -4553.3/T +0.6446lgT + 2.336=-4533.3/1000 + 0.6446*lg1000 + 2.336=-0,26Кр=0,55Обозначим количество получаемого СО2 за х, водорода 2х, водяного пара 3,333- 2хKp=p(CO2)*p2(H2)/p2(H2O)=х*4х2/(3,333-2х)2=0,554х3≈0,55*3,3332, х=1,16 кмольСледовательно из 100 кг глюкозы получается 1,16 кмоль СО2, водорода 2,32 кмоль, или 25,98 м3 СО2 и 51,96 м3 водородаВ) Рассчитаем количество СО, получаемого по реакции 3C+CO2↔2COKp=p2(CO2)/p(CO)lgKp=-8200/T + 1.75lgT -0.006*T +3.8=-8200/1000 + 1.75*lg1000 -0.006*1000+3.8=-5,15Кр=7,08*10-6Обозначим равновесную концентрацию СО - х, равновесная концентрация СО2– 1,16- х/2Кр=(1,16 -х/2)2/х=7,08*10-61,34 -2,32х-х2/4 – 7,8*10-6=0х≈1,75 кмоль или 39,2 м3Г) Рассчитаем количество полученного метана по реакции 5C + 2H2↔CH4Kp=p2(H2)/p(CH4)lgKp=-3140/T +5.58lgT-11.3= -3140/1000 +5,581*lg1000-11.03=2,57Кр=3,72*102Обозначим количество метана при равновесии – х, равновесная концентрация водорода –(1,97 +2,32 -2х)=(4,27 -2х)Kp=p2(H2)/p(CH4)=(4,27-2х)2/х=37218,2 -17,1х + 4х2=372хх=0,25 кмоль или 5,6 м3 метанаСуммируя все реакции , получаем состав равновесного газаН2О=3,333-1,97 -1,11=0,253 кмоль или 5,66 м3, или 2,97%СО=1,97+1,95=3,92 кмоль или 87,81 м3, или 46,1%СО2=1,16-0,87=0,29 кмоль или 6,5 м3, или 3,14%Н2=1,97+2,32 -0,5=3,79 кмоль или 84,9 м3, или 44,57%СН4=5,6 м3, или 2,94%Таким образом при пиролизе 100 кг глюкозы при Т=1000 К получается равновесный газ состава : 2,97% Н2О, 46,1% СО, 3,14% СО2, 44,57% Н2, 2,94% СН4Подученные данные сведем в таблицу:Таблица 7. Выход продуктов пиролиза при различных температурахТемпература, К Продукты на 100 кг глюкозыУголь, кгН2О, м3/%СО2,м3/%Н2, м3/%СО, м3/%СН4, м3/%6004,319,6/88,60,234/1,060,74/3,361,42/6,440,06/0,2870032,562,2/72,21,06/1,2411,1/13,00,84/12,20,72/0,841000-5,66/2,976,5/3,1484,9/44,587,8/46,15,6/2,943. Расчет модели пиролиза.Для описания процесса пиролиза выбираем модель представленную на Рис 4.1.Рис. 4.1. Схема пиролиза древесиныРеакции разложения можно представить в виде соотношений:Для древесины (4.1)Для промежуточного остатка (4.2)Для угольного остатка (4.3)Предполагается, что в качестве сырья для пиролиза используются частицы древесины в виде технологической щепы. Поскольку технологическая щепа представляет собой пластинки с поперечными волокнами (теплопроводность непиролизованной древесины вдоль волокон составляет примерно в 2,4 раза больше теплопроводности в радиальном или тангенциальном направлении), то можно рассматривать одномерную симметричную задачу с проводящими свойствами вдоль волокон и толщиной равной длине этих волокон b=a/cosγ (см. рис.4.2.). Рис. 4.2. Схема идеализированной технологической щепыСохранение массы каждого компонента определяется массовым потоком в газовой фазе и реакциями разложения. Массовый поток каждого вида газа состоит из конвективного потока газа и диффузионного потока между другими видами газов. Однако, влияние диффузии очень мало по сравнению с конвекцией, поэтому рассматривается только конвективный поток массы. Также предполагается, что объемная усадка не происходит. В связи с вышеперечисленным, уравнения материального баланса можно записать соотношениями:Для смолы (4)Для газа (5)где ε – пористость, рассчитываемая как ε=1 – (ρs/ρw)*(1-εw). Здесь, ρs и ρw – средняя плотность твердой фракции и плотность натуральной древесины, εw – начальная пористость древесины, εw=0.4[14].Кинетические параметры представленной модели приведены в табл.6Таблица 8. Кинетические параметры и удельная теплота термического разложения [15]Реакции t g is c c2 g2А (с-1)1,08*10104,38*1093,75*1061,38*10101,0*1054,28*106Е(кДж/моль)148152,7111,7161108108∆h (кДж/кг)808080-300-42-42Так как структура древесины и угля состоит из многочисленных крошечных пор, на газообразные компоненты текущие внутри пор действуют силы вязкости. Таким образом, скоростьV газообразных компонентов потока рассчитывается по закону Дарси:где μ – динамическая вязкость газообразных компонентов.Проницаемость Кпр частично пиролизованного сырья линейно интерполирована между углем и натуральной древесиной: Кпр=(1-η)*Кпр,w +η*Кпр,с ,где степень пиролиза η=1 – (ρа + ρis)/ρw [15]Общее давление определяется как сумма парциальных давлений смолы и газа которые, предполагается, при температурах пиролиза ведут себя как идеальные газы.P=Pt +Pg; P=ρRT/M,где Mи R– молекулярный вес и универсальная газовая постоянная.Совместно решив уравнения (4) – (8) получаем дифференциальное уравнение, описывающее изменение давления:(5)Изменение теплосодержания в элементарном объеме обуславливаетсятеплопроводностью, конвективным потоком компонентов газовой фазы и выделением теплоты реакции пиролиза. Для получения уравнения энергии предполагается локальное термодинамическое равновесие между компонентами газовой и твердой фазы.Первичные реакции разложения древесины на смолу, газы и промежуточный остаток имеют эндотермическое тепло пиролиза ∆ht=∆hg=∆his=80 кДж/кг, а на втором этапе, при экзотермической реакции, реакция разложения промежуточного остатка на уголь имеет ∆hc=- 300 кДж/кг, а для реакции крекинга смолы теплота пиролиза ∆hc2=∆hg2=-42 кДж/кг [15].Удельная теплоемкость с твердых компонентов и удельная изобарная теплоемкость Cp для газообразных компонентов являются функциями температуры, как показано в табл.2. Эффективная теплопроводность λ в любой момент времени рассчитывается как взвешеннаясумма теплопроводностей натуральной древесины, угля и летучих газов с учетом излучения тепла через поры[15]: (8)где σ, е и d – постоянная Стефана-Больцмана, степень черноты тела и размер пор, соответственно.Поток тепловой энергии через границу поверхности частицы древесины определяется условиями внешнего конвективного и радиационного теплообмена: (10)Степень черноты твердой фракции рассчитывается из уравнений [13]: (11)Коэффициент теплоотдачи α=20 Вт/(м2*К) [13]Свойства материала и параметры реакций, используемые в уравнениях, перечислены в табл.6Таблица 9. Свойства материала и кинетические параметры реакций [15-19]Параметр Значение ρwСwСсСptСpgСpvdeσ λw,вдоль λv λс, вдоль Кпр,wКпр,сevecα μMgMtMvR 630 (кг/м3) 1500 +1.0*Т (Дж/кг*К) 420 + 2,09Т +6,85*10-4Т2 (Дж/кг*К) -100 +4.4T-1.57*10-3T2 (Дж/кг*К) 770 + 0.629T – 1.91*10-4T2(Дж/кг*К) 0.85Cpt+ 0.15Cpg(Дж/кг*К) 5*10-5(1 – η) + 1*10-4η (м) 1 5.67*10-8 (Вт/м2*К4) 0,1046 (Вт/м*К) 0.0258 (Вт/м*К) 0,071 (Вт/м*К) 5*10-16(м2) 1*10-13 (м2) 0.7 0.92 20 (Вт/м2*К) 3,0*10-5 (кг/м*с) 0.038 (кг/моль) 0.11 (кг/моль) 0.076 (кг/моль) 8.314 (Дж/моль*К)Условные обозначения:А- предэкспоненциальная константа, с-1; а - длина волокон, м; b - толщина щепы, м; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) ; с - изобарная удельная теплоемкость, Дж/(кг*К); d - размер пор, м; е - степень черноты; Е - энергия активации, Дж/(моль*К); h —высота слоя, м; Кпр - проницаемость, м2;k - константа скорости реакции, с-1 ; М - молекулярный вес, кг/моль; Р — давление, Па; Q - приток теплоты, Вт/м3; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(моль*К) ; Т — температура, К; Тf — температура реторты, К; V — скорость потока, м/с; Vм – скоростьматериала, м/с; х- координата по толщине, м; α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К) ; γ — угол наклона волокон (град.); ε - пористость; η - степень пиролиза; ∆h — теплота пиролиза, Дж/кг; λ — теплопроводность, Вт/(м*К); μ - динамическая вязкость, кг/(м*с); ρ - плотность, кг/м3; σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67х108 Вт/(м2*К).Подстрочные знаки:а — непиролизованая древесина; с — уголь (первичная реакция); с2 — уголь (вторичная реакция); f - реторта; g - газ (первичная реакция); g2- газ (вторичная реакция)is - промежуточный остаток; s - твердая фракция; t - смола; v - газы; w - натуральная древесина; 0 - начальные условия.4. Расчет технико-экономических показателей Поведем технико-экономические расчеты для тепловой электростанции на пиролизном газе.4.1. Определим удельные капитальные затраты на производство 1 кВт общей мощности по формуле:k=К/(Q +Э)=5000000/(1200 +700)=2600 руб/кВт, (3.1.1)где К - капитальные затраты на строительство мини-ТЭЦ, $.;Q - тепловая мощность, кВт;Э - электрическая мощность, кВт.Определим годовой расход условного топлива: т у.т. (3.1.2)где В - расход , обогащённого биогаза, кг/ч;h - число часов работы, ч;Qнр - низшая рабочая теплота сгорания обогащённого биогаза, кДж/кг.Определим удельный расход условного топлива на электрическую мощность:гу.т./кВтч. (3.1.3)Определим удельный расход условного топлива на тепловую мощность:кгу.т./ГДж. (3.1.4)Определим удельный расход условного топлива на общую мощность:гу.т./кВт. (3.1.5)Определим среднесписочную численность персонала (штатный коэффициент), обслуживающих хозяйство мини-ТЭЦ:чел. (3.1.6)Основные технико-экономические показатели работы мини-ТЭЦ приведены в таблице 8.Затраты ресурсов на производство тепловой и электрической энергии на мини-ТЭЦ определим по формуле:Sр = Sт + Sам + Sтр + Sзп + Sпр , (3.1.7)где Sт - расходы на топливо;Sам - амортизационные отчисления;Sтр - расходы на текущий ремонт;Sзп - заработная плата;Sпр - прочие расходы.Таблица 10. Основные технико-экономические показатели.1Капитальные затраты (включая инженеринговые услуги)тыс. руб50002Удельные капитальные затратыруб/кВт11003Электрическая мощность, номинальнаякВт7004Тепловая мощность, номинальнаякВтГДж/ч12004,325Годовой расход условного топлива, номинальныйт у.т.10656Удельный расход топлива:на электрическую мощностьна тепловую мощностьна общую мощностьг у.т./кВтчкг у.т./ГДжг у.т./кВт327531217Общий к.п.д.%858Приведенное число часов работычас/год46509Среднесписочная численность персонала (штатный коэффициент)чел.1410Себестоимость 1 ГДж тепловой энергиируб/ГДж203,111Себестоимость 1 кВтч электрической энергиируб/кВтч1,2312Срок окупаемостилет1,91) Топливная составляющая себестоимости (для основного топлива)Sт=Вгод*Цгпргде Вгод – годовой расход топлива, Вгод=651*103 кгЦгпр – оптовая цена топлива по прейскуранту, Цгпр=3400 руб./тSт=Вгод*Цгпр = 3400*651=2213400 руб.2) Амортизационные отчисления определяем по формуле:Sам=Nам*K, где Nам–среднегодовая норма амортизации, Nам=12%;К – стоимость основных производственных фондов предприятия:К=Куд * Вугодгде Куд – величина удельных капитальных затрат Куд=1100 руб./т.у.тВугод – годовой расход условного топлива, Вугод=1065 т.у.т.К=1100*1065=1171500 руб.Sам=Nам*K = 1171500*0,12=140580 руб.3) Затраты на текущий ремонт определяем по формуле:Sтр=0.2Sам=140580*0,2=28116 руб.4) Расход на заработную плату:Sзп=n*Фзп, где n= количество рабочих, n=14 чел;Фзп – годовой фонд заработной платы, Фзп=120000 руб. год/челSзп=120000*14=1680000 руб.5) Прочие затраты определяем по формуле:Sпр=0.3*(Sзп +Sам+Sтр)=0,3*(1680000 +140580 +28116)=554610 руб.С учетом всех составляющих определим общую сумму затрат на производство электрической и тепловой энергии на мини ТЭЦ:Sр=Sт +Sам +Sтр +Sзп +Sпр==2213400 + 140580 + 28116 + 1680000 +554610=4062096 руб.Определим себестоимость одного ГДж тепловой энергии по формуле:Cq=Sp/Qгод=4062096/20000=203,1 руб./ГДж, Определим себестоимость одного кВт-ч электрической энергии:Сэ=Sp/Эгод=4062096/3300000=1,23 руб/кВтОпределим срок окупаемости мини ТЭЦ по формуле:Ток=К/Пгде К – капитальные затраты К=5000000 руб.П – годовая прибыль, которая определяется по формуле:П=(Цэ –Сэ)*t*Wэ + (Цq –Сq)*t*WqЦэ = Сэ/(1-0,25)=1,64 руб./кВт*чЦq =Cq/(1-0.25)=270.8 руб./ГДжТогда П=(1,64-1,23)*700*4650 + (270,8-203,1)*4,32*4650=2694510 руб.Ток=5000000/2694510=1,9 лет5. Основы безопасности жизнедеятельности5.1. Техника безопасности и пожарная безопасностьКаждый работник обязан знать и выполнять правила техники безопасности(ПТБ), относящиеся к обслуживаемому оборудованию, и организацию труда на рабочем месте. В случае неисправности оборудования, механизмов и приспособлений, представляющих опасность для людей, и нарушений ПТБ работник обязан принять срочные меры для предотвращения опасности и доложить вышестоящему руководителю. На администраторов федеральных судов общей юрисдикции возлагается общее руководство работой по технике безопасности, а на начальников котельных - организация работы по технике безопасности и обеспечению безопасных условий труда. Ответственность за несчастные случаи, произошедшие в эксплуатирующей организации, несут лица, которые не обеспечили соблюдение правил техники безопасности и промышленной санитарии и не приняли должных мер для предотвращения несчастных случаев, а также лица, непосредственно нарушившие правила эксплуатации. Каждый работник должен четко знать и выполнять требования правил пожарной безопасности. Администраторы федеральных судов общей юрисдикции несут ответственность за пожарную безопасность помещений и оборудования котельных, а также за наличие и исправное состояние первичных средств пожаротушения. По согласованию с местной пожарной охраной должны быть разработаны инструкция по пожарной безопасности и оперативный план пожаротушения. Каждый случай пожара подлежит расследованию комиссией с обязательным участием работников пожарной охраны для установления причины пожара, виновников его возникновения, убытков и разработки противопожарных мероприятий. В котельной должна быть разработана инструкция о конкретных мерах пожарной безопасности и противопожарном режиме, согласованная с местной пожарной охраной и утвержденная председателем суда. При эксплуатации котельных должно обеспечиваться выполнение требований Федерального закона от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ "Об охране окружающей природной среды" и нормативных актов по эксплуатации оборудования.5.2. Порядок ликвидации аварий На каждом пункте (котельной) с круглосуточным дежурством персонала должны быть местная инструкция по предотвращению и ликвидации аварий, планы ликвидации аварий в тепловых сетях и котельных, а также положения о взаимодействии по ликвидации аварий с энергосистемой и потребителями. В распоряжении персонала должна находиться следующая техническая документация: оперативные схемы тепловых сетей; тепловые схемы котельных с детальным отражением коммуникаций и мест расстановки контрольно-измерительных приборов; полный комплект действующих эксплуатационных инструкций и руководящих материалов, включая ПТЭ и ПТБ; домашние адреса и номера телефонов руководящего персонала суда, а также номера телефонов городских аварийных и дежурных служб. Персонал должен вести следующую оперативную документацию: оперативный журнал; оперативную схему трубопроводов тепловых сетей с обозначением газоопасных участков; журнал дефектов и неполадок в оборудовании. 5.3 Обязанности оперативного персонала К оперативному персоналу котельных относится дежурный персонал, обслуживающий производственные участки котельных и тепловых сетей в соответствии с утвержденным графиком дежурств. Оперативный персонал должен вести безопасный, надежный и экономичный режим работы оборудования котельной в соответствии с производственными и должностными инструкциями. Оперативный персонал должен работать по утвержденному графику. Дежурство в течение двух смен подряд запрещается.Заключение и выводыВ процессе выполнения работы был проведен анализ современного состояния научных основ термической переработки древесины и сформулированы основные допущения процесса пирогенетической переработки древесины. Предложена модель расчета кинетических параметров пиролиза древесины на основе глюкозы. Рассчитаны константы равновесия технологических процессов для различных температур. На основании рассчитанных констант определен теоретический выход продуктов пиролиза. Установлено, что выход продуктов пиролиза сильно зависит от температуры. Чем ниже температура пиролиза, тем больше выход угольного остатка и ниже выход парогазовой смеси. И, соответственно, чем выше температура пиролиза, тем выше выход газов. Проведен расчет математической модели пиролиза. Полученные данные достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Проведен технико-экономический анализ работы опытно-промышленной установки мини-ТЭЦ. Показана высокая рентабельность предлагаемой технологической схемы пиролиза. Также можно указать на то, что утилизация древесных отходов методом пиролиза имеет не только большое экономическое значение, но представляет большой интерес в области охраны окружающей среды (экологический аспект).Список использованной литературы1. Технология лесохимических производств: Учебник для вузов/ Выродов В.А., Кислицын А.Н., Глухарева М.И. – М.; Лесная промышленность, 1987. -352 с.2. С.Д. Бесков. Технохимические расчеты. – М.: Высш. шк., 1966 г, 520 с.3. Д. Фенгел, Г. Вегенер. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) – М.: лесная пром-ность, 1988, -512 с.4. Справочник лесохимика / С.В. Чудинов, А.Н. Трофимов, Г.А. Узлов и др., - М.. Лесная пром-сть. – 1987, - 275 с.5. Корякин В.И. Термическое разложение древесины: учеб.пособие. М.: Гослесбумиздат, 1962, - 342 с.6. Кислицин А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. М.: Лесная промышленность, 1990, - 412 с.7. Козлов В.Н., Новицкий А.А. Технология пирогенетической переработки древесины. М.: Гослесбумиздат, 1954. – 225 с.8, Грачев А.Н. Разработка методов расчета технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Казань, 2011 г. – 36 с.9. Jieheng Guo. Pyrolysis of wood powder and gasification of wood-derived char. Eindhoven: Technisiche Universiteit Eindhoven, 2004, - 170 p.10. Michel Bellais. Modeling of the pyrolisis of large wood particles. DoctoralThesis – Stocholm. Sweden. 2007. – 105 p.11. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин 1/ Вестник Казан.технол. ун-та. — 2010. — №4. — С. 120-130.12. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород / Р.Р. Сафин, А.Е. Воронин, Д.Ф. Зиатдинова // Вестник МГУЛ. —2010. — №14. — С. 87-91.13. Славянский А.К. Химическая технология древесины / А.К. Славянский, В.И. Шарков, А.А.Ливеровский и др. — М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1962. — 576 с.14. Сафин, РР. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, И.А. Валеев //Вестник МГУЛ. —2005. — №2. — С. 168-174.15. Исхаков, ТД. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза / Т.д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, РГ. Сафин // Известия вузов. Проблемы энергетики. — 2008. — ТЧ2 11-12. — С. 16-20.16. Грачев, АН. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия самарского научного центра РАН. — 2008. — специальный выпуск — с. 25-29.17. Тимербаев Н.Ф.Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. И.И. Хуснуллин // Вестник Казан.технол. ун-та. — 2011. — № 14,З3.—С. 169-173.